為世界上第一條 200mm 碳化硅中試線鋪平道路
為世界上第一條 200mm 碳化硅中試線鋪平道路
來源： 碳化硅SiC半導(dǎo)體材料
摘要
近年來，基于碳化硅(SiC)的電力電子行業(yè)迅速擴張，但供應(yīng)商正在努力滿足市場對最終設(shè)備和起始原材料的需求，如今這些原材料由直徑為 150 毫米（6 英寸）的 SiC 晶片組成。為此，碳化硅電力電子領(lǐng)域的頂級工業(yè)企業(yè)開始著手開發(fā)直徑為 200 毫米（8 英寸）的下一代晶圓。這項工作描述了最近在實施世界上第一條生產(chǎn)基于 200 毫米 SiC 晶片的功率器件的工業(yè)中試線方面取得的成果。特別是 200 mm SiC 晶錠的晶體生長、晶片的切片和拋光、外延層的沉積，并介紹了試點線路中的第一個測試。
1 . 引言
在過去的十年中，碳化硅(SiC) 已經(jīng)從具有高潛力但存在可靠性問題的寬帶隙半導(dǎo)體發(fā)展成為電力電子領(lǐng)域中不可或缺的首選材料 [ 1 , 2 ]。過去幾年主要受電動汽車普及帶動的 SiC 功率器件市場的擴張速度如此之快，以至于許多供應(yīng)商都在努力滿足對 SiC 功率器件的需求 [ 3 , 4 ]，到目前為止，直徑為 150 毫米（6 英寸）的晶圓。作為下一步打算，幾家公司不僅通過投資 150 毫米晶圓廠來擴大其生產(chǎn)能力，而且還開始開發(fā)直徑為 200 毫米（8 英寸）的下一代 SiC 晶圓 [ 5 ]。事實上，晶圓直徑增加 50 毫米對應(yīng)于 78% 的面積增大，因此，相同數(shù)量的每個晶圓的器件數(shù)量可能會增加。200 毫米 SiC 晶片的首次演示報告于 2015 年 [ 6 , 7 ]，但晶體質(zhì)量仍然比 150 毫米對應(yīng)物差很多。在生產(chǎn)線上實際應(yīng)用 200 mm SiC 晶片的時機尚未成熟。
2018年，一個名為REACTION（歐洲碳化硅八英寸試驗線）的歐洲項目獲得資助，旨在開發(fā)世界上第一條用于生產(chǎn)功率器件的200毫米碳化硅試驗線設(shè)施[ [8]、[9]、[10]]。來自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的 27 個合作伙伴加入了該項目。不同合作伙伴一致認為，200mm SiC晶圓的發(fā)展必須達到兩大里程碑，主要與材料的晶體質(zhì)量有關(guān)：機械化學(xué)拋光晶圓和高質(zhì)量晶圓。機械級晶圓的目的是支持與 200 毫米晶圓尺寸兼容的新生長反應(yīng)器的開發(fā)，優(yōu)化切片和拋光步驟，并測試中試生產(chǎn)線中不同生產(chǎn)工具的處理能力。出于這個原因，從晶體質(zhì)量的角度來看，這些樣品并不意味著可以與最先進的 150 毫米晶片相媲美。另一方面，在這項工作中，我們概述了該聯(lián)盟為生產(chǎn)機械和開發(fā)級別的 200 毫米 SiC 晶片以及建立試生產(chǎn)線而執(zhí)行的早期開發(fā)步驟。特別介紹了 200 mm SiC 晶錠的晶體生長、晶片的切片和拋光、外延層的沉積以及中試生產(chǎn)線的首次測試。
2 . 200 mm 4H-SiC 晶錠的晶體生長
本工作中介紹的機械和開發(fā)級 200 mm 4H-SiC 晶片由 II-VI Incorporated 制造。所述的SiC晶錠使用與專有的反應(yīng)器設(shè)計[物理氣相傳輸（PVT）法生長11 ]。圖 1顯示了與本工作中使用的系統(tǒng)相似但不完全相同的通用 PVT 系統(tǒng)的示意圖。反應(yīng)器的核心是石墨坩堝，里面裝有高純度的碳化硅粉末和晶種。坩堝被感應(yīng)加熱到 2000 °C 以上的溫度。在如此高的溫度下，SiC 粉末升華，產(chǎn)生的蒸汽通過熱梯度傳輸在坩堝內(nèi)朝著單晶 SiC 晶種生長。晶種晶片作為進入蒸汽的成核中心，也用于
圖1。用于SiC晶錠晶體生長的典型 PVD 反應(yīng)器的示意圖。
大量的生長實驗運行，致力于支持 REACTION 項目的 200 毫米沉底的開發(fā)。由于晶種的直徑和質(zhì)量對晶片質(zhì)量至關(guān)重要，因此大部分生長實驗都集中在將高質(zhì)量晶種擴展到大于 200 毫米的直徑。
3 . 使用 SiC 晶錠制造 200 mm 外延晶圓
一旦SiC晶錠生長出來，就必須從它上切下晶片。制造過程的這一部分絕不是微不足道的，并且在產(chǎn)品的最終質(zhì)量中起著至關(guān)重要的作用。事實上，晶圓切片的幾個方面至關(guān)重要，例如晶體取向、產(chǎn)量最大化、材料損失和加工成本最小化、實現(xiàn)低缺陷表面等 。涉及不同的工藝工具，其中一些必須重新設(shè)計才能與 200 毫米晶圓一起使用。所有涉及的工具都需要對工藝參數(shù)進行微調(diào)，以確保從 150 毫米尺寸變?yōu)?200 毫米尺寸時具有良好的最終質(zhì)量和產(chǎn)量。將生長的晶錠磨成 200 毫米直徑，并通過多線鋸成功切片。對所得原始晶片進行機械拋光和化學(xué)機械拋光，以獲得標稱厚度為 500 μm 的低粗糙度、外延就緒晶片。
已向項目合作伙伴交付了 50 多個直徑為 200 毫米的單晶襯底。從形態(tài)學(xué)和電學(xué)角度對襯底進行表征。通過 FlatMaster 200 測量的交付晶圓的平均厚度為 500.8 μm，這表明切片工藝提供了良好的晶圓到晶圓再現(xiàn)性。發(fā)現(xiàn)平均總晶片內(nèi)厚度變化 (TTV) 約為 5.9 μm。交付晶圓的平均翹曲為 46 μm；雖然這個值還有待改善，但它應(yīng)該已經(jīng)能夠使用中試線的制造工具。通過非接觸式映射系統(tǒng) LEI 1510 測量的晶片電阻率在交付的樣品中具有 22.8 mΩ?cm 的平均值，晶片內(nèi)的變化小于 3%。該電阻率值正好在 15-25 mΩ?cm 的目標范圍內(nèi)。
為了量化基板中的晶體缺陷分布，使用熔融 KOH 浴進行選擇性蝕刻[ 13 ]。所采用的 KOH 溶液在螺紋刃位錯(TED) 和螺紋螺型位錯(TSD)方面比常規(guī) KOH 浴更具選擇性。事實上，TSD 的蝕刻速率高于 TED，導(dǎo)致 TSD 的蝕刻坑比 TED 更大，這可以根據(jù)顯微鏡圖像輕松區(qū)分。螺紋混合位錯 (TMD) 將被視為 TSD，而基面位錯密度(BPD) 很容易被識別。通過自動 Sica 系統(tǒng)對選擇性蝕刻產(chǎn)生的表面特征進行分析。
圖 2顯示了總?cè)毕菝芏?DD)、BPD 和 TSD 晶片圖，通過對來自兩個不同生長運行的晶片進行選擇性蝕刻獲得。特別是，圖 2 (a)–(c) 中的圖是指在 200 mm 晶圓開發(fā)的早期階段生產(chǎn)的晶圓（以下稱為樣品 A），而圖 2 (d)–(f)中的圖) 是在使用改進的生長工藝生長的晶片上獲得的（以下稱為樣品 B）。樣品 A 的總 DD 的平均值大約為 11,000 cm -2，晶片內(nèi)的 BPD 變化很大，如圖2 (b) 所示。樣品 A 的平均位錯密度為 11,256 cm -2、1807 cm -2和 3739 cm-2 分別表示 DD、BPD 和 TSD。相比之下，樣品 B 的總 DD 小于 4000 cm -2，即幾乎比樣品 A 低三倍。樣品 B 的平均位錯密度為 3885 cm -2、951 cm -2和 716 cm - 2為DD，BPD和TSD，分別。與樣品A相比，這是一個顯著的改進；樣品 B 的 DD 改進歸因于更好的晶種晶體質(zhì)量和優(yōu)化的生長參數(shù)。這對于未來高質(zhì)量 200 mm SiC 晶片的發(fā)展來說是一個很有希望的結(jié)果。值得注意的是在 0.25 cm -2的晶片上測得的平均微管密度低于 0.5 cm -2的目標并且已經(jīng)非常接近商用 150 mm SiC n 型襯底的當前值，即<1 cm -2。
圖2。從樣品 A (a)–(c) 和樣品 B (d)–(f) 的選擇性濕蝕刻測試中獲得的DD 、BPD和TSD 的晶圓圖。
4 . 生產(chǎn)工具的初步處理和兼容性測試
II-VI Incorporated 生產(chǎn)的部分機械級晶圓被送往意法半導(dǎo)體 (STM)，使用 200 毫米SiC 中試線的工業(yè)生產(chǎn)工具進行處理和兼容性測試。事實上，晶圓的厚度和電阻率波動、彎曲、邊緣碎裂和表面缺陷等特征會嚴重影響甚至損壞生產(chǎn)線上的一些工具。因此，必須進行初步的兼容性測試。
值得注意的是，STM 能夠在功率器件生產(chǎn)所需的主要工具內(nèi)處理 200 毫米 SiC 晶片，例如自動檢測工具、光刻步進機、注入機、用于熱處理和氧化物生長的烤箱、用于沉積電介質(zhì)和金屬薄膜、濕法蝕刻臺、洗滌器等。這些測試的成功確實是實現(xiàn)工業(yè)試驗線的基本步驟，這需要 STM 方面的大量經(jīng)濟和技術(shù)投資。
第一批晶圓在邊緣處顯示出很少的小芯片，這導(dǎo)致了工具內(nèi)的對齊問題。II-VI Incorporated 解決并迅速解決了邊緣芯片的形成問題。圖 3顯示了在 STM 生產(chǎn)線上對 200 毫米 SiC 晶片進行的缺陷圖和自動電子顯微鏡檢查的示例。在基材表面發(fā)現(xiàn)了一些缺陷，主要是劃痕和凹坑。缺陷的類型和位置表明晶片制造過程中的切片和拋光步驟需要進一步優(yōu)化。
圖3。(A) 使用 Altair 系統(tǒng)獲得的 200 毫米機械級晶圓的典型缺陷圖和 (b)在 STM 試驗線中執(zhí)行的相應(yīng)自動電子顯微鏡檢查。左上角的前五幅圖像是與晶體缺陷相關(guān)的凹坑，而其他四幅圖像則顯示了可能由切片和拋光步驟引起的劃痕。
5 . 在 200 mm SiC 晶片上生長 4H-SiC 外延層
為了進一步改善晶體質(zhì)量和用于前端工藝制備晶片，在晶片的化學(xué)-機械拋光的側(cè)通常被沉積的外延層的碳化硅。在 REACTION 項目的框架內(nèi)，LPE Spa 負責(zé)開發(fā)一種新的化學(xué)氣相 (CVD) 反應(yīng)器，用于在 200 毫米晶圓上生長 SiC 外延層。
在 200 毫米晶圓上開發(fā) SiC 外延層由 LPE Spa 在其位于卡塔尼亞的實驗室開始，使用原型 CVD 反應(yīng)器不控制晶圓旋轉(zhuǎn)并配備單區(qū)氣體注入系統(tǒng)。第一個原型將在 REACTION 項目期間得到改進，上述功能將包含在反應(yīng)器的最終版本中。
n 型 4H-SiC 外延層的生長是在 1600 °C 以上的溫度下進行的，使用三氯硅烷 (SiHCl 3 ) 和乙烯 (C 2 H 4 ) 作為前驅(qū)體 [ 14 ]，氮作為 n 型摻雜氣體。以這種方式實現(xiàn)了高達 30 μm/h 的生長速度。產(chǎn)生標稱厚度為6.5μm且施主摻雜濃度為9.5×10 15 cm -3的外延層。生長后，沉積的外延層的厚度通過紅外快速傅里葉變換光譜 (FTIR) 測量，而摻雜濃度則通過汞探針獲得的電容測量值估算。
圖 4 (a) 顯示了通過原型 CVD 反應(yīng)器沉積在 200 毫米機械級 SiC 晶片上的外延層的典型厚度圖。晶圓厚度的平均值為 6.44 μm，標準偏差為 0.05 μm。晶片厚度均勻性，評估為標準偏差與平均值之間的比率，為 0.8%。觀察到外延層厚度從中心到邊緣略微徑向增加，小于 0.2 μm；厚度圖的不對稱性主要是由于原型反應(yīng)器中的單區(qū)氣體注入。圖 4 (b) 顯示了由 LPE Spa 在商用 150 mm SiC 晶片上通過標準 CVD 反應(yīng)器沉積的外延層厚度圖 [ 15]]。晶圓厚度的平均值為 10.45 μm，標準偏差為 0.04 μm。在這種情況下，晶片厚度均勻度為 0.4%，因此，非常接近使用原型反應(yīng)器在 200 毫米晶片上獲得的值。
圖 4。(a) 200 mm 機械級SiC晶片和 (b) 商用 150 mm SiC 晶片上外延層的典型厚度圖。
圖5（a）和（b）顯示了對應(yīng)于圖4中已經(jīng)呈現(xiàn)的外延層的摻雜圖，分別生長在（a）200mm SiC晶片和（b）150mm SiC商業(yè)晶片上。200mm晶圓的平均摻雜值為9.54×10 15 cm -3，標準偏差為0.53×10 15 cm -3，晶圓摻雜均勻度為5.6%。
另一方面，商用 150 mm 晶圓的平均摻雜值為 11.9 × 10 15 cm -3，標準偏差為 0.14 × 10 15 cm -3，以及 1.1% 的晶圓摻雜均勻度。盡管機械級 200 毫米晶圓已經(jīng)顯示出良好的厚度和摻雜分布，但使用更先進的 200 毫米外延反應(yīng)器最終版本，摻雜的晶圓均勻性將得到改善。
圖 5。(a) 200 mm 機械級SiC晶片和 (b) 商用 150 mm SiC 晶片上外延層的典型摻雜圖。
6 . 總結(jié)
這項工作概述了最近在 REACTION 項目框架內(nèi)獲得的基于 200 毫米SiC晶片的世界上第一條工業(yè)試驗線的實施取得的成就。回顧了用于 200 毫米 SiC 晶錠晶體生長的新型 PVD 反應(yīng)器的開發(fā)，并描述了將晶錠切成外延就緒晶片的步驟。通過使用熔融 KOH 進行選擇性蝕刻來評估由早期生長運行產(chǎn)生的晶片的晶體質(zhì)量。測量證明，襯底的晶體質(zhì)量超過了項目最初為初步開發(fā)階段設(shè)定的要求，并且在微管密度方面甚至非常接近商用 150 mm SiC n 型襯底的當前值.
此外，還描述了使用原型 CVD 系統(tǒng)在 200 毫米晶圓上沉積 SiC 外延層，并介紹了沉積在機械級晶圓上的薄膜的主要特征。測量結(jié)果表明，外延層厚度在 200 毫米晶圓的整個表面上非常均勻，與在 150 毫米商用晶圓上獲得的均勻性相似。摻雜均勻性也相當不錯，但仍與通常在 150 毫米對應(yīng)物中獲得的一致。此外，試生產(chǎn)線的許多生產(chǎn)工具都使用機械級晶圓進行了測試，并成功證明了它們與 200 mm SiC 的兼容性。總之，這項工作朝著在 200 mm SiC 晶片上制造下一代功率器件邁出了重要的一步。
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